DE3426361A1 - Durchflussmesser - Google Patents
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Durchflußmesser mit einer im Weg des in einer Rohrleitung strömenden Mediums senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Meßblende.
Bekanntlich steht zur Messung der Strömung der verschiedenen Medien
ein ziemlich reiches Sortiment von Meßprinzipien und -einrichtungen
zur Verfugung. In der letzten Zeit wurden diese Möglichkeiten durch verschiedene optische, akustische, Ultraschall-, Laser- sowie sonstige
Meßverfahren bzw. Meßeinrichtungen erweitert. Diese Einrichtungen messen im allgemeinen die durch den im Weg des Mediumstromes angeordneten
Körper verursachten veränderten Strömungsverhältnisse
(siehe DE-PS 1 384 105) oder die an dem im Weg der Strömung angeordneten
Körper selbst auftretenden Schwingungen (derartige Meßeinrichtungen werden z.B. in den GB-PS'en 1 482 699 bzw. 1 533 717 beschrieben).
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Eines der am längsten bekannten Meßprinzipien verwirklichen die sogenannten
Meßblenden oder Offnungsblenden, die im Wege des in der
Rohrleitung strömenden Mediums Verengungen darstellen, vor und hinter
denen die Drücke unterschiedlich sind. Durch die Messung dieser Druckunterschiede wird die Geschwindigkeit bzw. Menge des strömenden
Mediums bestimmt. Der grundlegende Nachteil dieser Meßeinrichtungen besteht darin, daß die zwischen dem Druckunterschied und dem Volumendurchfluß
bestehende Beziehung nicht linear und so für die Auswertung der Messung ungünstig ist.
Eine andere seit langem bekannte Art der Meßgeräte ist das sogenannte
Rotameter, dessen wesentliches Merkmal darin besteht, daß im Wege des strömenden Mediums ein sogenannter schwebender Körper angeordnet
wird, dessen Bewegung proportional zur zu messenden Geschwindigkeit ist. Ursache des Druckabfalles ist der Strömungswiderstand des
schwebenden Körpers und bei dieser Ausführungsform kann die Bewegung des schwebenden Körpers zum Volumendurchfluß der Flüssigkeitsströ-
mung gerade proportional sein, falls die Rohrleitung einen sich in
der Bewegungsrichtung des schwebenden Körpers erweiternden Querschnitt aufweist. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß die Gleichgewichtslage,
in welche sich der schwebende Körper einstellt, von nur verhältnismäßig
geringen Kräften bestimmt ist. Die Erzeugung großer Gleichgewichtskräfte hingegen ist ziemlich problematisch. Die Ursache dafür
besteht einerseits darin, daß eine Erhöhung der Abmessungen des schwe- - benden Körpers zu einer unverhältnismäßigen Erhöhung der Abmessungen
der ganzen Einrichtung führen würde, andererseits darin, daß sich mit der Erhöhung des Durchmessers des schwebenden Körpers ein zum freien
Strömungsquerschnitt gegebenen Maßes sehr enger Umfangsspalt ergeben würde, der mit der Gefahr des Festklemmens verbunden ist.
Bekannt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Bewegung des schwebenden
Körpers durch eine Feder beschränkt wird,.wobei die für den Flüssigkeitsstrom charakteristische Größe die Änderung der Federkraft
bzw. die Bewegung des schwebenden Körpers ist. Eine derartige Lösung ist z.B. auch in der GB-PS 1 434 165 beschrieben.
Bekannt sind auch Lösungen, bei denen der Volumendurchfluß durch das
Ausmaß der Verscheibung einer Abschlußplatte oder eines Ventils gegen
Federkraft bestimmt wird. Eine derartige Lösung ist z.B. auch in den GB-PS'en 1 462 878 bzw. 1 476 574 beschrieben. Der Nachteil
dieser Ausführungsformen ist denen der vorstehend dargelegten ähnlieh.
Nach einer anderen Lösungsvariante wird das unter Einwirkung der Flüssigkeitsströmung sich bewegende (verschiebende) Bauelement in die
öffnung einer Meßblende eingesetzt. Hierbei wird die gegen Federkraft
erfolgende Bewegung des Absperrelementes bzw. der Blende oder der an der Einschnürung auftretende Druckabfall als zum Volumendurchfluß
proportionale Größe gemessen. Bei dieser Ausführungsform ist die Führung der sich entgegen der Federkraft bewegenden Blende mit einer
Reibung verbunden, die das Meßergebnis ungünstig beeinflußt. 35
Ein weiterer Nächteil besteht darin, daß diese Ausführungsform nur
in Rohren mit verhältnismäßig großen Durchmessern (ca. in der Größen-
Ordnung von 10 cm) eine genaue Messung gewährleistet und für Messungen
in Rohren mit kleinen Durchmessern nicht geeignet ist, da eine unter der Einwirkung von zu geringen Kräften eintretende Bewegung
bzw. Druckverminderung gemessen werden müßte. 5
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der beschriebenen
Nachteile, insbesondere des Problems des für die Messung von geringen Größen charakteristischen empfindlichen Kräftegleichgewichtes,
und einen Durchflußmesser zu schaffen, dessen inneres Strömungsbild
zwar zu dem bei Meßblenden ähnlich ist, hierbei jedoch durch einen veränderlichen Durchflußquerschnitt charakterisiert wird, der die
Gewähr bietet, daß zwischen dem Meßsignal und dem Flüssigkeitsstrom anstatt der sich spontan ergebenden quadratischen Charakteristik
ein beliebig auswähl barer, vorzugsweise linearer funktioneller Zusammenhang
besteht und dies auch im Falle von Messungen in Rohrleitungen mit geringem Durchmesser.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
in dem Durchflußdurchmesser, in welchem eine in der Rohrleitung ausgebildete
Meßblende und ein in der öffnung der Meßblende angeordnetes Reduzierelement enthalten sind, die Meßblende als elastische
Membrane mit beweglicher öffnung ausgebildet und mit einem bzw. mehreren
die Bewegung der Membrane detektierenden Fühlern versehen ist.
Die Fühler sind vorzugsweise mit einer Meßelektronik verbunden. 25
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Meßblende
mit einem in seiner Lage fixierten Reduzierelement (Drosselelement)
versehen, das vorteilhafterweise in der öffnung der Meßblende
angeordnet ist.
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Das Reduzier-(Drossel-)element kann ein Bauelement mit einem sich in
Richtung der Strömung vermindernden Querschnitt oder eine zur Strömungsrichtung senkrecht angeordnete Platte sein. Im letzten Fall ist
die öffnung der Meßblende vorteilhafterweise als Rohrabschnitt ausgebildet,
dessen Querschnitt sich in der Strömungsrichtung vermindert.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann gewährleistet werden,
daß sich zwischen der Bewegung X der Membranenöffnung und dem Mediumstrom
0 (Flüssigkeitsstrom) ein linearer funktioneller Zusammen-
V φ-
hang ergibt, d.h. daß
X = C . <2> v ist,
wobei
C - eine von der Charakteristik der elastischen Bewegung der Membrane
und der Form des drosselnden Reduzierelementes abhängige Konstante
ist.
Die Membrane des Durchflußmessers ist vorzugsweise von einer Feder,
vorteilhaft von einer Feder mit linearer Charakteristik abgestützt,
wobei sich die Konstante C aus der gleichzeitig wirkenden Charakteristik der Membrane und der Feder ergibt.
Das Reduzierelement kann mit einem sein Einstellen in der Strömungsrichtung ermöglichenden Einstellemenet versehen sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung
der Membrane kreisförmig und der Mantel des Reduzierelementes eine konkave Torusfläche.
Der nach vorstehender Beschreibung ausgeführte Durchflußmesser beseitigt
die Nachteile der bekannten Ausführungsformen, da die erzeugte Druckdifferenz auf eine große Fläche einwirkt und das Kräftegleichgewicht
günstig ist, wobei sich der Durchflußmesser auch zur Messung von ganz kleinen Flüssigkeitsströmen eignet und mit seiner Hilfe ein
sozusagen beliebiger funktioneller Zusammenhang zwischen dem Medienstrom
und der Druckdifferenz verwirklicht werden kann. Unter pulsierenden Strömungsverhältnissen folgt der Durchflußmesser den Änderungen
einwandfrei, da im Vergleich zu den Meßkräften die detektierte Bewegung durch große Kräfte gesteuert wird, und so ist es vorzüglich
für eine Massenmessung von abschnittsweise gasblasenbehafteten Strö-
O '
mungen geeignet, und dies auch im Falle von Blasenanhäufungen mit
einem Volumenverhältnis von über 100%. Diese Eigenschaften machen
das Gerät u.a. auch zum Einsatz als Kraftstoff-Momentanverbrauchsmesser
in Kraftfahrzeugen geeignet.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die
aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung zeigt:
Flg. 1 die Prinzipanordnung des erfindungsgemäßen Durchflußmessers,
IO
Fig. 2 die Prinzipanordnung einer anderen Ausführungsform des Durchflußmessers,
Fig. 3 die Prinzipanordnung einer weiteren Variante, 15
Fig. 4 die Ansicht der Membrane, wobei die Spalte Spirallinien folgen,
Fig. 5 die Ansicht der Membrane mit einem einzigen U-förmigen Spalt,
20
Fig. 6 den Schnitt einer als Kraftstoffverbrauchersmesser ausgebildeten
Ausführungsform des Durchflußmessers und
Fig. 7 das Schaltschema der zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
gehörenden Meßfühler-Elektronik.
Aus der von Fig. 1 dargestellten Skizze ist zu ersehen, daß der erfindungsgemäße
Durchflußmesser eine in. die Rohrleitung 1 zwischen den Flanschen 2 eingespannte elastische Membrane 3 enthält, in deren
3^ Öffnung 4 das Reduzierelement (Drosselelement) 5 angeordnet ist. Die
senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildete Membrane 3 ist parallel zur Strömungsrichtung bewegbar. Bei der Ausführungsform aus Fig. 1
sind konzentrische Ringfalten in der Membrane 3 ausgebildet, so daß
deren Verstelleichtigkeit bei ihrer Axial verstellung über einen
verhältnismäßig großen Verstellweg sichergestellt ist. Das kegelförmige
Reduzierelement 5, das in der Öffnung 4 so angeordnet ist, daß die Kegel spitze in die Strömungsrichtung weist, ist an dem Träger 6 befestigt
und die elastische Membrane 3 ist über die Feder 7 an dem
Träger 6 abgestützt, wobei ihre Bewegung durch die an ihrer einen oder an ihren beiden Seiten angeordneten Fühler 8 angezeigt wird.
In der Zeichnung ist die Richtung des Volumendurchflusses φ
mit einem Pfeil bezeichnet. Das strömende Medium verhält sich bei Erreichen der elastischen Membrane 3 genauso wie bei den herkömmlichen
Meßblenden. Die Stromlinien werden bei der Öffnung 4 der elastischen
Membrane 3 dichter und hinter der öffnung tritt eine Wirbelung auf. Dementsprechend entsteht vor der elastischen Membrane 3
der größere Druck ρ, und hinter ihr der kleinere Druck p2· Unter Einwirkung
der Druckdifferenz p, - p„ = -A ρ bewegt sich die elastische
Membrane 3 und dementsprechend auch die Öffnung 4 in die Strömungsrichtung.
Da jedoch das Reduzierelement 5 einen in Strömungsrichtung sich vermindernden Querschnitt aufweist, nimmt bei einer in der
Strömungsrichtung um das Ausmaß X erfolgenden Bewegung der Öffnung 4
der freie Querschnitt A der Öffnung 4 zu. Dies hat natürlich auch auf die Druckdifferenz selbst eine Rückwirkung.
Der die dem Stellweg X entsprechende lineare Arbeitsweise sichernde
funktionelle Zusammenhang des freien Querschnittes A kann durch Analyse
der Meßblende leicht und einfach errechnet werden. Bekanntlich ist gemäß der für Meßblenden geltenden Grundbeziehung
wobei £ - ein Korrektionsfaktor
S - die Dichte der Flüssigkeit A- der freie Querschnitt der Öffnung
sind.
Daraus ist zu ersehen, daß die Beziehung zwischen der Druckdifferenz
und dem Volumendurchfluß quadratisch, d.h. zur Auswertung ungünstig
ist. Aus diesem Grunde ist der freie Querschnitt vorzugsweise so zu verändern, daß man zwischen der Druckdifferenz /1 ρ und dem Volumendurchfluß
Φ eine lineare Beziehung erhält. In diesem Falle muß
sein. Wird nämlich ein derartiger Wert A in die vorhergehende Gleichung
eingesetzt, so erhält man zwischen der Druckdifferenz und dem Volumendurchfluß eine lineare Beziehung. Dies kann unter Verwendung der
Beziehungen
A = f1 ( Δ ρ) und
X = f2 ( Δ ρ)
vorgenommen werden. Im vorliegenden Fall ergibt sich bei einer kreisförmigen
öffnung 4 und einem kegelartigen Reduzierelement 5 ein Wert von
A = C2
Dies bedeutet, daß der Mantel des Reduzierelementes 5 in dem in Fig.
1 dargestellten Fall mit einer im Vergleich zum geraden Kreiskegel
ein wenig konkaven Fläche verwirklicht werden kann. Dies bedeutet in der Praxis eine konkave Torusfläche.
Auf diese Weise erhält man zwischen der Bewegung X der öffnung 4
und dem Volumendurchfluß Φ eine lineare Beziehung, d.h.:
X = L3 ν
wobei C3 eine Konstante ist, die die Charakteristik sowohl der elastischen
Membrane 3 als auch die der Feder 7 enthält.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Reduzierelement 5 eine zur Strömungsrichtung senkrecht angeordnete Platte (Kreisscheibe)
ist. Hier ist die öffnung 4 der elastischen Membran 3 als ein Rohrabschnitt ausgeführt, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung
vermindert. Die Arbeitsweise dieser Konstruktion entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten.
Das Reduzierelement 5 der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion ist
nicht in der öffnung 4 der elastischen Membrane 3, sondern in deren
Nähe als Abschlußplatte der Rohrleitung vor der Membrane 3 ausgebildet.
Die strömende Flüssigkeit tritt in das Gehäuse 9 des Durchflußmessers
durch die radialen Bohrungen 10 ein und fließt durch den schmalen ringförmigen Spalt zwischen dem Reduzierelement 5 und der
elastischen Membrane 3. Die Größe dieses Spaltes verändert sich in Abhängigkeit von der Strömung infolge der Bewegung der elastischen
Membrane.
ganz linear, nähert sich einer linearen Bewegung jedoch gut.
die in der Membrane befindliche öffnung durch einen bzw. mehrere
Spalte gebildet wird. Die Fig. 4 und 5 zeigen derartige Membranausführungsformen.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführuhgsform folgen
die Spalte Spirallinien, wogegen bei der aus Fig. 5 ersichtlichen
Ausführungsform ein einziger U-förmiger Spalt vorgesehen ist.
Die Größe des bzw. der so vorgesehenen Spalte verändert sich in Abhängigkeit
von der Strömung. Die Beziehung zwischen der Menge des hindurchströmenden Mediums (Durchflußmenge) und der Bewegung der
Membrane kann so durch Anordnung der Spalte in der Membranfläche beeinflußt werden. Mit Rücksicht darauf, daß durch Spalte eine weichere
Membrancharakteristik verwirklicht werden kann, können derartige
Ausführungsformen insbesondere bei kleine Abmessungen aufweisenden Konstruktionen vorteilhaft eingesetzt werden, da mit ihrer Hilfe
die Verwendung von großflächigen bzw. außerordentlich dünnen
Membranen vermieden werden kann.
Fig. 6 zeigt eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Durchflußmessers im Längsschnitt. Diese Ausführungsform ist ein Kraftstoffverbrauchsmesser
für Kraftfahrzeuge. Der Verbrauchsmesser ist
über den Eintrittsstutzen 11 an die Rohrleitung 1 angeschlossen. Die elastische Membrane 3 und das Reduzierelement 5 sind in dem aus
den Hälften 9a und 9b bestehenden Gehäuse 9 angeordnet.
Das Reduzierelement 5 ist in dem in der Hälfte 9b befestigten Austrittsstutzen
12 befestigt. In den Träger 6 ist eine Abstimmschraube 13 (Einstellschraube) eingeschraubt und an diese ist über die
Stange 14 das Reduzierelement 5 angeschlossen. Die Einstellung des Durchflußmessers kann mit Hilfe der Abstimmschraube 13 vorgenommen
werden.
Die ganze Vorrichtung ist in der Hülle 15 angeordnet und innerhalb
derselben ist auch die Meßelektronik 16 untergebracht. Das Meßsignal wird aus der Meßelektronik 16 durch das Kabel 17 herausgeführt.
Die elektronische Abtastung der Position der Membrane 3 ist auf induktivem
Wege auf die Weise gelöst, daß auf ein um eine Induktivität veränderliches Magnetfeld das abzutastende Objekt eine von seiner
Position abhängige veränderliche Wirkung ausübt und diese auf den in der Induktivität fließenden Strom bzw. Spannungsabfall zurückwirkt.
Als Meßfühler 8 sind im Interesse einer guten Linearität zwei gegeneinandergeschaltete
Wicklungen eingesetzt. Das zwischen den beiden Wicklungen 8 abzutastende Objekt, die Membrane 3, muß im Sinne der vorstehenden
Darlegung über magnetische Eigenschaften verfugen. Im Falle eines Hochfrequenz-Magnetfeldes ist es ausreichend, wenn das abzutastende
Objekt ein elektrischer Leiter ist, da die darin zu induzierenden Wirbel ströme das eventuelle Fehlen einer großen magnetischen
Permeabilität sozusagen ersetzen.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wurden flache gedruckte
Wicklungen 8 verwendet, die die Membrane 3 einschließen. Im Falle einer Metal!membrane sind keine weiteren Bauteile erforderlich, zu
Gummimembranen sind jedoch aus Metall (z.B. Aluminium) gefertigte Fühlerscheiben einzusetzen.
Das Blockschema einer möglichen Variante der Fühlerelektronik ist in
Fig. 7 dargestellt. Zur Versorgung der Meßfühler 8 mit sinusförmiger,
stabilisierte Amplitude aufweisender Spannung dient der Spannungsgenerator
18. Die zur Bewegung der Membrane 3 sich proportional ändernde Spannung des Teilungspunktes 19 der Meßfühler 8 wird durch den
Gleichrichter 20 zu einer Gleichspannung U/QUtj umgewandelt, die bereits
als eine Ausgangsspannung angesehen werden kann. Für den Durch-
flußmesser sind weitere Signalumformer, wie Verstärker, Filter, NuIlspannungsabzug
usw. erforderlich.
An den Durchflußmesser kann ggf. auch eine Meßauswertungs-Elektronik
angeschlossen werden, mit deren Hilfe von einer kalibrierten Skala unmittelbar der Verbrauch in der Maßeinheit l/h bzw. 1/100 km
abgelesen werden kann. .
Der nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitende Durchflußmesser
beseitigt den störenden Einfluß des Volumendurchflusses von Gas- bzw. Dampfblasen, und bei einem Gasvolumen von 20-30% kann die Messung
noch als ideal angesehen werden, d.h. der Ausgangsdurchschnittswert
ist im wesentlichen zum Flüssigkeitsvolumen proportional. Der Durchflußmesser folgt auch unter pulsierenden Strömungsverhältnissen gut
den Änderungen und ist auch zur Messung von geringen Flüssigkeitsströmen geeignet, da die Gleichgewichtslage der elastischen Membrane
durch das Gleichgewicht verhältnismäßig großer Kräfte sichergestellt wird. Demzufolge kann die Hysterese vernachlässigt werden und das
Einspielen ist stabil.
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Obwohl in dem beschriebenen einzigen Beispiel lediglich die Arbeitsweise
eines KraftstoffVerbrauchsmessers dargestellt wurde, ist es für
einen Fachmann klar, daß das Prinzip der erfindungsgemäßen Ausführungsform
auch die Ausgestaltung eines beliebigen anderen Durchflußmessers
ermöglicht. Diese Durchflußmesser verfugen über die vorstehend
aufgeführten vorteilhaften Eigenschaften: Sie arbeiten zuverlässig, folgen auch geringen und raschen Änderungen und sind
demgemäß auch zur Messung pulsierender Strömungen geeignet.
Claims (11)
1. Durchflußmesser mit einer im Wege des in der Rohrleitung strömenden
Mediums senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Meßblende, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßblende als elastische Membrane
(3) mit einer beweglichen öffnung (4) ausgebildet und mit einem die Bewegung der elastischen Membrane (3) detektierenden Meßfühler
(8) versehen ist.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßfühler (8) mit einer Meßelektronik (16) verbunden ist.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßblende mit einem Reduzierelement (Drosselelement) (5)
versehen ist.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reduzierelement (5) feststehend befestigt und in der Öffnung (4) der elastischen Membrane (3) angeordnet ist.
I/p -2-
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5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzierelement (5) als ein Bauelement mit in Strömungsrichtung
abnehmendem Querschnitt so ausgebildet ist, daß der funktionelle
Zusammenhang zwischen der Bewegung (X) der Öffnung (4) der elastischen Membrane (3) und dem Mediumstrom (0 ) linear,
d.h.
X = C 0 v
ist, wobei
C- eine von der Charakteristik der Bewegung der elastischen Membrane
und der Form des Reduzierelementes abhängige Konstante . ist.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzierelement (5) eine zur Strömungsrichtung senkrecht angeordnete
Platte ist.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die öffnung(4)der elastischen Membrane (3) als sich in Strömungsrichtung verengender Rohrabschnitt so ausgebildet ist, daß der
zwischen der Bewegung (X) der öffnung (4) der elastischen Membrane
(3) und dem Mediumstrom (Flüssigkeitsstrom) ( φ ) bestehende funktionelle Zusammenhang linear, d.h.
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X -C Φ v
ist, wobei
C - eine von der Charakteristik der Bewegung der elastischen Membrane
und der Form des Reduzierelementes abhängige Konstante ist.
8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die öffnung (4) der Membrane (3) als Spalt oder mehrere Spalte ausgebildet ist.
l 9. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reduzierelement (5) mittels eines Einstellelementes (13) in Strömungsrichtung einstellbar ist.
5 10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membrane (3) mittels einer Feder (7) abgestützt ist.
11. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß IO er mit einer Meßauswertungseinheit versehen ist.
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1984
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